Señales y sistemas: pack de repaso

Hojas de fórmulas, los pasos clave de los métodos de cada tema y 8 problemas de práctica, con las soluciones completas al final.

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1Fórmulas y métodos

Convolución y sistemas LTI

Convolución discreta
y[n] = Σ x[k]·h[n − k]
Convolución continua
y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ
Longitud y suma
Ly = Lx + Lh − 1, Σy = Σx·Σh
Inicio, final y área
t1 + t3 … t2 + t4, ∫y = ∫x·∫h
Escalón sobre e^(−at)u(t)
y(t) = (A/a)(1 − e−at)
Sistema de primer orden
y′ + a·y = b·x → h(t) = b·e−atu(t)
Recursión de primer orden
y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] → h[n] = b·aⁿ
Sinusoide a través de h(t)
|H(jω)|, ∠H(jω); H(jω) = b/(a + jω)
Amplitudes de la serie de Fourier
cuadrada ±A: 4A/(kπ), k impar; triangular ±A: 8A/(π²k²), k impar; tren de pulsos: A·D y (2A/(kπ))|sin kπD|

Método

  1. Dibuja ambas señales y anota dónde es distinta de cero cada una.
  2. Invierte h y deslízala: para cada instante de salida, halla el rango donde ambas señales se solapan.
  3. Multiplica y suma (discreto) o multiplica e integra (continuo) solo en ese solapamiento.
  4. Comprueba el resultado: la salida empieza en la suma de los instantes iniciales, termina en la suma de los instantes finales, y su área o suma es el producto de las áreas o sumas de las entradas.

2Problemas de práctica

1.Convolución y sistemas LTIMedia
x(t)t1h(t)t1

La entrada x(t) = 1·e−5tu(t) se aplica a un sistema con h(t) = e−2tu(t). Halla la salida y(0,25) en t = 0,25 s.

x(t) = 1·e−5tu(t)h(t) = e−2tu(t)t = 0,25 s
y(0.25) =
2.Convolución y sistemas LTIDifícil
δ(t)y′ + 4y = 3xh(t)

Un sistema obedece y′(t) + 4·y(t) = 3·x(t). Halla su respuesta al impulso en t = 0,1 s, h(0,1).

y′ + 4y = 3xt = 0,1 s
h(0.1) =
3.Transformadas de LaplaceMedia
ReIm−2−4−6−8

F(s) = (3s + 26)/(s² + 9s + 14). Su transformada inversa tiene la forma f(t) = A·e−2t + B·e−7t. Halla el coeficiente A por fracciones parciales.

F(s) = (3s + 26)/(s² + 9s + 14)
A =
4.Transformadas de LaplaceDifícil
ReIm−1−2−3−4−51

Un sistema se describe con la ecuación diferencial y″ + 6y′ + 5y = 3u′ + 8u, con entrada u(t) y salida y(t). Halla su función de transferencia G(s) = Y(s)/U(s) (condiciones iniciales nulas) y evalúa la respuesta al impulso g(t) en t = 0,75 s. Halla g(0,75).

y″ + 6y′ + 5y = 3u′ + 8ut = 0,75 s
g(0.75) =
5.Respuesta al escalónMedia
t (s)y(t)1ts​ = ?

Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 70/(s² + 10s + 70) y recibe una entrada escalón unitario. Halla el tiempo de establecimiento al 2 % ts de la respuesta al escalón, usando ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 70/(s² + 10s + 70)
ts = s
6.Respuesta al escalónDifícil
R(s)+Ks(s + 8)G(s)C(s)−

Un lazo de realimentación negativa unitaria tiene G(s) = K/(s(s + 8)). Halla la ganancia K que da una respuesta al escalón con un sobreimpulso del 20 %.

G(s) = K/(s(s + 8))%OS = 20 %
K =
7.Diagramas de Bode y márgenesMedia
vin​C = 22 nFR = 22 kΩvout​

El filtro paso alto RC mostrado tiene R = 22 kΩ, C = 22 nF. Se aplica una entrada sinusoidal de 660 Hz. Halla el desfase φ de vout respecto a vin, en grados.

R = 22 kΩC = 22 nFf = 660 Hz
φ = °
8.Diagramas de Bode y márgenesDifícil
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

Un lazo con realimentación unitaria tiene la función de transferencia en lazo abierto L(s) = K/(s(s + 4)(s + 10)). Halla la ganancia K que da un margen de ganancia de 4 dB.

L(s) = K/(s(s + 4)(s + 10))GM = 4 dB
K =

3Disoluciones

1.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: y(0.25) = 0,1067

Convolución continua: y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ. Invierte h, desplázala hasta la posición t e integra el producto de las partes que se solapan. Para señales causales la integral va de 0 a t. Resultados útiles: el área de y es el área de x por el área de h; si x dura de t₁ a t₂ y h de t₃ a t₄, y dura de t₁ + t₃ a t₂ + t₄. Para h(t) = e−atu(t) y un escalón de altura A, y(t) = (A/a)(1 − e−at).

Integral de convolución

y(t) = 1e−2t∫₀ᵗ e−(5 − 2)τ dτ = 1(e−2t − e−5t)/(3)

Evalúa

y(0,25) = 1·(0,6065 − 0,2865)/(3) = 0,1067

Respuesta

y(0,25) = 0,1067
2.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: h(0.1) = 2,011

Respuesta al impulso y serie de Fourier: la respuesta al impulso h(t) describe por completo un sistema LTI: para y′ + a·y = b·x es h(t) = b·e−atu(t), y para y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] es h[n] = b·aⁿu[n]. Una sinusoide cos ωt pasa con ganancia |H(jω)| y fase ∠H(jω), donde H es la transformada de Fourier de h. Una señal periódica es una suma de armónicos a k/T: una onda cuadrada de ±A tiene solo armónicos impares con amplitudes 4A/(kπ), una onda triangular de pico A tiene 8A/(π²k²), y un tren de pulsos de altura A y ciclo de trabajo D tiene el valor medio A·D y los armónicos (2A/(kπ))·|sin(kπD)|.

Función de transferencia

H(s) = Y(s)/X(s) = 3/(s + 4)

Respuesta al impulso

h(t) = 3·e−4tu(t)
h(0,1) = 3·e−0,4 = 2,011

Respuesta

h(0,1) = 2,011
3.Transformadas de Laplace

Respuesta: A = 4

Transformada de Laplace: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt convierte las derivadas en multiplicaciones por s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Pares estándar: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), y un desplazamiento s → s + σ multiplica la función temporal por e−σt. Para invertir una F(s) racional, descomponla en fracciones parciales: el residuo de un polo simple p es A = [(s − p)·F(s)] en s = p. Teorema del valor final: f(∞) = lims→0 s·F(s), válido solo cuando todos los polos de s·F(s) están en el semiplano izquierdo. Teorema del valor inicial: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Factoriza el denominador

s² + 9s + 14 = (s + 2)(s + 7)
F(s) = A/(s + 2) + B/(s + 7)

Regla del tapado

Multiplica por (s + 2) y haz s = −2: el término de B se anula.

A = (3s + 26)/(s + 7) |s = −2 = 20/5 = 4

Respuesta

A = 4
(B = −1, así que f(t) = 4·e−2t − e−7t)
4.Transformadas de Laplace

Respuesta: g(0.75) = 0,6316

Transformada de Laplace: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt convierte las derivadas en multiplicaciones por s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Pares estándar: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), y un desplazamiento s → s + σ multiplica la función temporal por e−σt. Para invertir una F(s) racional, descomponla en fracciones parciales: el residuo de un polo simple p es A = [(s − p)·F(s)] en s = p. Teorema del valor final: f(∞) = lims→0 s·F(s), válido solo cuando todos los polos de s·F(s) están en el semiplano izquierdo. Teorema del valor inicial: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Función de transferencia

G(s) = Y(s)/U(s) = (3s + 8)/(s² + 6s + 5)

Fracciones parciales

s² + 6s + 5 = (s + 1)(s + 5)
A = 1,25, B = 1,75

Respuesta al impulso

g(t) = 1,25·e−t + 1,75·e−5t
g(0,75) = 0,6316

Respuesta

g(0,75) = 0,6316
5.Respuesta al escalón

Respuesta: ts = 0,8 s

Respuesta al escalón: un sistema de primer orden G(s) = K/(τs + 1) responde a un escalón de tamaño U con y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): alcanza el 63,2 % del valor final K·U después de una constante de tiempo τ y el 98 % después de 4τ. Un sistema de segundo orden G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) tiene los polos s = −ζωₙ ± jωd con ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Para 0 < ζ < 1 la respuesta al escalón tiene sobreimpulso: sobreimpulso porcentual %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tiempo de pico tp = π/ωd y tiempo de establecimiento al 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Compara el denominador con s² + 2ζωₙs + ωₙ² para obtener ωₙ y ζ. Para un sistema masa–resorte–amortiguador ωₙ = √(k/m) y ζ = c/(2√(km)); para un circuito RLC serie ωₙ = 1/√(LC) y ζ = (R/2)·√(C/L).

Compara con la forma estándar

El denominador debe coincidir con s² + 2ζωₙs + ωₙ².

ωₙ² = 70 → ωₙ = 8,367 rad/s
2ζωₙ = 10 → ζ = 10/(2·8,367) = 0,5976

Resultado

ζωₙ = 5 → ts ≈ 4/5 = 0,8 s

Respuesta

ts = 0,8 s
6.Respuesta al escalón

Respuesta: K = 76,96

Respuesta al escalón: un sistema de primer orden G(s) = K/(τs + 1) responde a un escalón de tamaño U con y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): alcanza el 63,2 % del valor final K·U después de una constante de tiempo τ y el 98 % después de 4τ. Un sistema de segundo orden G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) tiene los polos s = −ζωₙ ± jωd con ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Para 0 < ζ < 1 la respuesta al escalón tiene sobreimpulso: sobreimpulso porcentual %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tiempo de pico tp = π/ωd y tiempo de establecimiento al 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Compara el denominador con s² + 2ζωₙs + ωₙ² para obtener ωₙ y ζ. Para un sistema masa–resorte–amortiguador ωₙ = √(k/m) y ζ = c/(2√(km)); para un circuito RLC serie ωₙ = 1/√(LC) y ζ = (R/2)·√(C/L).

Función de transferencia en lazo cerrado

T(s) = K/(s² + 8s + K)

Razón de amortiguamiento a partir del sobreimpulso

ζ = −ln(0,2)/√(π² + ln²(0,2)) = 0,4559

Ganancia

ωₙ = 8/(2ζ) = 8,773 rad/s
K = ωₙ² = 76,96

Respuesta

K = 76,96
7.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: φ = 26,48 °

Respuesta en frecuencia: sustituye s = jω en la función de transferencia. El módulo en decibelios es 20·log₁₀|H(jω)| y la fase es la suma de los ángulos de los factores del numerador menos los del denominador. Un filtro RC o RL de primer orden tiene su frecuencia de corte (−3 dB) en ωc = 1/(RC) o R/L, y fc = ωc/(2π); un filtro paso bajo da |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) y φ = −atan(ω/ωc). En el diagrama de Bode asintótico (de rectas) cada polo hace bajar el módulo 20 dB/década en su frecuencia de esquina, cada cero lo hace subir 20 dB/década, y un integrador 1/s da −20 dB/década en todas las frecuencias. Cruce de ganancia ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); margen de fase MF = 180° + ∠L(jωc). Cruce de fase ω180: ∠L(jω) = −180°; margen de ganancia MG = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. El lazo cerrado es estable cuando ambos márgenes son positivos.

Frecuencia de corte

ωc = 1/(RC) = 1/(22000·2,2 × 10⁻⁸) = 2066 rad/s
fc = 328,8 Hz → f/fc = 660/328,8 = 2,007

Fase

φ = 90° − atan(2,007) = 26,48°

Respuesta

φ = 26,48°
8.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: K = 353,3

Respuesta en frecuencia: sustituye s = jω en la función de transferencia. El módulo en decibelios es 20·log₁₀|H(jω)| y la fase es la suma de los ángulos de los factores del numerador menos los del denominador. Un filtro RC o RL de primer orden tiene su frecuencia de corte (−3 dB) en ωc = 1/(RC) o R/L, y fc = ωc/(2π); un filtro paso bajo da |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) y φ = −atan(ω/ωc). En el diagrama de Bode asintótico (de rectas) cada polo hace bajar el módulo 20 dB/década en su frecuencia de esquina, cada cero lo hace subir 20 dB/década, y un integrador 1/s da −20 dB/década en todas las frecuencias. Cruce de ganancia ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); margen de fase MF = 180° + ∠L(jωc). Cruce de fase ω180: ∠L(jω) = −180°; margen de ganancia MG = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. El lazo cerrado es estable cuando ambos márgenes son positivos.

Cruce de fase

(ω/4)·(ω/10) = 1 → ω180 = √(4·10) = 6,325 rad/s

Módulo en el cruce de fase

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 16)·√(ω² + 100)) = K/(4·10·(4 + 10)) = K/560

Ganancia necesaria

560/K = 104/20 = 1,585
K = 560/1,585 = 353,3

Respuesta

K = 353,3

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